CC BY
27
На современном этапе экономического развития при интенсивном внедрении современных технологий в нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности решение вопросов технической безопасности производства становится все более и более актуальным.
МИНИМИЗАЦИЯ РИСКА АВАРИЙ. ОСНОВОПОЛАГАЮЩИЕ ПРИНЦИПЫ
ПЛАНИРОВАНИЯ И РАЗМЕЩЕНИЯ ГАЗОАНАЛИТИЧЕСКИХ СИСТЕМ DRAGER
Достаточно эффективное воздействие на поднятие уровня промышленной безопасности оказывает необходимость страховки основных средств и средств производства. При оценке величины взноса при страховании промышленных предприятий одним из доминирующих факторов для страховых компаний является безопасность производства.
Факторы, влияющие на категорию опасности производства, для различных отраслей промышленности обуславливают те или иные типы технических средств, которые применяются для контроля технологических процессов и предотвращения возникновения чрезвычайных ситуаций. Одним из таких факторов, который присущ многим типам промышленных производств, является возможность возникновения на рабочей площадке опасных концентраций взрывоопасных газов и паров, которые могут привести к возгоранию или взрыву, а также опасных концентраций токсичных газов, которые могут способствовать отравлению рабочего персонала.
ДОКТОР ВОЛЬФГАНГ ЙЕССЕЛЬ фирма «^аде-»
Использование бесперебойного газового мониторинга на предприятии является наиболее эффективным с экономической точки зрения, а также с позиции безопасности и сохранности производства.
РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПЛАНИРОВАНИЮ СИСТЕМ ГАЗОВОГО МОНИТОРИНГА
Везде, где осуществляется хранение, разлив, переработка и транспортировка горючих и/или токсичных веществ, достаточно высока вероятность возникновения аварийной ситуации.
Для максимального снижения риска на этапе проектирования средств противоаварийной защиты правильное планирование и размещение систем газового анализа в значительной степени уменьшает риск для человека, технологического процесса и окружающей среды. Уже на стадии разработки технического задания необходимо иметь на руках конкретный план действий, необходимых для устранения опасной
Германия г. Любек
ситуации, которые должны предприниматься при срабатывании системы газовой сигнализации. Отключение производственного электрооборудования, закрытие газовых вентилей и включение интенсивной вентиляции столь же широко применяются, как промывка трубопроводов, охлаждение горячих поверхностей и активизация водных завес.
Кроме того, такие действия должны сопровождаться определенными организационными мероприятиями, описанными в «Декларации безопасности промышленного объекта».
ОСНОВНЫЕ МОМЕНТЫ
Прежде всего разработчики систем стационарного газового мониторинга должны уделить внимание трем ключевым моментам:
• Газы. Каковы цели контроля над газами, какие газы должны контролироваться, каковы предположительные концентрации, объемы и частота утечек? ►
Рис. 1. Измерительный принцип электорохимического сенсора со стабилизатором напряжения
Ф
КИПИА
^ткимБмтлтюы лыо METERS, литомлтю оок^оьБ
Рис. 2. Измерительный принцип термокаталитического сенсора с резисторным методом
• Датчики для обнаружения газа. Какой принцип обнаружения, сколько датчиков необходимо, где и как они должны размещаться и калиброваться?
• Система газовой сигнализации. Каковы должны быть пороги тревоги и как реагировать на информацию о тревогах?
Ответ на первый вопрос очерчивает реальную задачу, проясняет производственные условия и поставленные цели: должны ли сенсоры выявлять токсичные вещества или газы, вызывающие удушье при вытеснение кислорода, с целью защиты человека, или же обнаруживать горючие газы и пары для защиты от взрыва (пожара).
В промышленном производстве на протяжении многих лет особенно хорошо зарекомендовали себя три основных измерительных метода: с одной стороны, электрохимический принцип, который особенно эффективен при обнаружении токсичных газов в диапазоне низких концентраций;
с другой - термокаталитический и инфракрасный принципы, которые пригодны для обнаружения горючих веществ при концентрациях до нижнего предела взрываемости (см. рис. 1, 2, 3).
В зависимости от конкретных условий, каждый принцип может обладать как достоинствами, так и недостатками. Поэтому для максимальной надежности и работоспособности системы должен быть выбран наиболее приемлемый принцип или их комбинация. Второй, самый типичный вопрос: сколько квадратных метров может контролировать один сенсор и как их размещать?
Количество датчиков, места их расстановки определяются согласно рекомендациям действующих на территории РФ нормативных документов: (ТУ - газ-86, РД БТ 39-0147171-003-88 (ТУнефтегаз), Правила промышленной безопасности нефтебаз и складов нефтепродуктов ПБ 09-560-03),
а также ведомственных Руководящих документов - однако данная проблема целиком зависит от реальной ситуации, поставленной задачи и типа применяемых датчиков.
ТОЧЕЧНЫЙ, ПЛОЩАДОЧНЫЙ И ПЕРИФЕРИЙНЫЙ МОНИТОРИНГ
Различают три основные стратегии размещения сенсоров. При этом они могут работать параллельно на одном производстве, особенно если оно предполагает наличие различных технологических процессов, а также интеграцию в общую систему противоаварийной защиты:
• Точечный мониторинг: потенциальные источники утечек (вентили, краны, муфты, фланцы, сильфоны и т. д.), если места их расположения известны. В этом случае датчики можно расположить так, чтобы надежно и своевременно выявлять места утечек.
• Площадочный мониторинг: потенциальные источники утечки не локализуются, ►
Рис. 3. Измерительный принцип инфракрасного сенсора с двойной компенсацией (зеленый ИК излучатель постоянно проверяет чувствительность обоих фотодетекторов)
Рис. 4 Измерение горючих газов трассовыми газоанализаторами
но располагаются в определенной области, пространстве. Датчики должны распределяться по всей области. • Периферийный мониторинг: потенциальные источники утечек не поддаются локализации, поэтому мониторинг производится на внешней границе участка, ограждаемого объекта или вдоль объекта большой протяженности (участки открытого трубопровода, нефтеналивные эстакады, и др.), для обнаружения превышения концентрации газов в ограниченной опасной зоне. Для периферийного мониторинга, кроме точечных детекторов диффузионного типа, применяются трассовые газоанализаторы - так называемые системы «открытого пути», которые при помощи инфракрасного луча позволяют ограждать периметры опасных объектов протяженностью до 200 м. Однако данные системы не позволяют локализовать источник утечки. С их помощью можно произвести лишь качественную оценку углеводородного облака, попавшего на линию визирования.
Такие системы позволяют оценить лишь усредненную концентрацию газа, выраженную в НПВ % м, на дистанции от источника до приемника луча. На рис. 4 изображены две ситуации, когда 10-метровое углеводородное облако с концентрацией 10 % НПВ и 5 -ти метровое углеводородное облако
с концентрацией 20 % НПВ попадают на линию визирования одной и той же системы «открытого пути». Показания, выдаваемые системой, будут идентичны и составят 100 НПВ % м. Информация, выдаваемая такой системой, будет полезной, если фиксации самого факта утечки достаточно для принятия ответных мер. К сожалению, технические рекомендации по размещению трассовых газоанализаторов отсутствуют в указанных выше нормативных документах, поэтому в случае их применения необходимо следовать рекомендациям производителя по согласованию с органами технического надзора.
При сравнении описанных выше подходов к организации газового мониторинга отчетливо просматривается градация концепций безопасности.
Если при точечном мониторинге можно целенаправленно использовать небольшое количество стационарных газоанализаторов, то площадочный мониторинг можно реализовать лишь при наличии большого их количества. Подобный мониторинг используется, например, при контроле над хранением горючих жидкостей или сжиженных газов, причем датчики распределяются равномерно по всей площади. При этом область, контролируемая одним датчиком, составляет от 50 до 100 м2; в помещениях для хранения летучих огнеопасных жидкостей разумным компромиссом является окружность диаметром около 10 м (площадью примерно 75 м2).
ТОЧНОЕ ЗНАНИЕ ЛОКАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ
Часто при планировании стационарных систем газового анализа предпочтение отдается площадному мониторингу лишь по той простой причине, что на момент планирования места возможных утечек абсолютно неизвестны. Это решение, несомненно, самое дорогостоящее: оно требует большого объема работ по техническому обслуживанию, и при этом, как нередко выясняется позже, оказывается излишне перегруженным. Чем точнее проектировщик будет представлять возможные источники утечки газов, тем экономичнее он сумеет расположить газовые детекторы.
С точки зрения технической безопасности эффективные меры по ликвидации последствий утечки могут быть приняты лишь в том случае, когда предоставляется как можно более точная информация о месте и времени возникновения утечки. Получить наиболее точную информацию о местоположении утечки удается при использовании точечного мониторинга. При использовании площадного контроля эта информация может поступать только от группы головок и соответственно область локализации утечки расширяется. А при периферийном мониторинге полученные данные о времени и месте утечки менее точны. Последнее утверждение особенно справедливо при использовании трассовых систем, которые позволяют оценить вызванный утечкой аварийный потенциал при периферийном контроле. ►
Рис. 5. Примеры расположения газоанализаторов Polytron 7000 и Polytron 2IR (typ 334) немецкой фирмы Дрэгер
РАЗМЕЩЕНИЕ СЕНСОРОВ И ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ГОЛОВОК
Места измерения концентраций следует выбирать таким образом, чтобы появляющиеся в контролируемой зоне горючие вещества своевременно и надежно регистрировались газоанализатором. При выборе места позиционирования детекторов необходимо следовать указаниям упомянутых выше нормативных документов, однако при планировании газоаналитических систем необходимо учитывать и дополнительные факторы, которые не всегда можно отобразить в стандартах и правилах.
ПРИМЕРЫ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ ГАЗОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ГОЛОВОК
При определении местоположения точки измерения имеют значение следующие факторы:
• местоположение возможных мест возникновения горючих веществ;
• размещение потенциальных источников возгорания;
• превалирующее направление и скорость распространения газовой смеси, а также характер текучести и разбрызгивания жидкой фазы, в зависимости от учитываемой мощности источника, кратности воздухообмена при естественной или технической вентиляции и местных условий (например, препятствия на пути потока, пылевые потоки, «мёртвые зоны» и т. д.);
• физические свойства измеряемых веществ (плотность, точка вспышки, нижний предел взрываемости, испаряемость и т. д.);
• технические характеристики используемого газоанализатора (например, скорость реакции и погрешность измерения);
• задержки воздействия предусмотренных защитных мероприятий, например, до запуска дополнительной вентиляции, до охлаждения горячих поверхностей, до появления результата действия водяной занавесы и/или до завершения выхода горючих веществ.
При выборе местоположения точки измерения в каждом конкретном случае следует проверять, какая стратегия или какая комбинация расстановки детекторов приведет к эффективному результату. При позиционировании детекторов учитываются следующие моменты:
• Датчики устанавливаются как можно ближе к местам потенциальной утечки (например, уплотнители валов, клапанов, гладких фланцев). С помощью улавливающих и направляющих устройств можно ослабить воздействие воздушных течений, облегчить перенос утекающих горючих веществ к месту измерения, а также сократить количество необходимых датчиков. Этого можно достичь, например, используя улавливающие воронки для жидкостей и газов тяжелее воздуха, либо улавливающие колпаки - для газов легче воздуха. В улавливающих и направляющих устройствах должны быть предусмотрены надлежащие выпускные и сточные отверстия.
• При наличии определенного потока воздуха детекторы размещаются со стороны
выхода потока контролируемой зоны. Для контроля помещений, оснащенных системой технической вентиляции, измерения внутри отводного воздуховода надежны лишь в том случае, когда снижение концентрации, возникающее при разбавлении воздушным потоком, может компенсироваться снижением порога тревоги. При этом также должны учитываться задержки тревог.
При неопределенных или нестабильных воздушных потоках, а также для контроля больших помещений детекторы размещаются по помещению в виде сетки, при необходимости по горизонтали или по вертикали. Всем известно, что плотность газов играет большую роль при размещении датчиков. Рассмотрим этот вопрос подробнее, поскольку, согласно законам газовой динамики, плотность газовоздушной смеси зависит от концентрации измеряемого газа и, прежде всего, от температуры. Эта зависимость становится очевидной на следующих примерах.
СЖИЖЕННЫЕ ГАЗЫ И ОБЛАКА ТЯЖЁЛЫХ ГАЗОВ.
Метан с молярным весом 16 г/моль известен как газ, который при обычной температуре легче воздуха (относительная плотность около 0,55). Существует ли температура, при которой метан становится тяжелее воздуха? Из уравнения идеального газа можно получить температуру газа, при которой его плотность равняется плотности воздуха. Уравнение идеального газа выглядит следующим образом:
М х р =р х Я х Т,
т. е. при постоянном давлении
р1 х Т1 = р2 х Т2, отсюда получаем:
Т2 = Т1 х р1 / р2
Поскольку нам необходимо лишь отношение величин плотности, достаточно указать плотность относительного воздуха при отсутствии воздушных потоков Т1 = ротн х Т2 . Если Т2 = Токр, где Токр - температура окружающей среды, то тогда при температуре ниже Т1, определяемой сейчас как Травн, плотность газа или газовой смеси будет больше плотности воздуха, а при температуре выше Травн - меньше: Т = р х Т
равн ~ отн окр
При р = 0,55 и Т = 293 К,
~ ~ отн. ' окр
Т = 161 К = -1120С
равн
Таким образом, при -112 0С плотность метана будет равняться плотности воздуха при 200С, при более низкой температуре метан будет даже тяжелее воздуха! Но так как температура кипения метана составляет около -1610С, то велика вероятность того, что при утечке из цистерны метан первоначально растечется по полу. Тогда мы будем иметь дело с так называемым облаком тяжелого газа. ►
Рис. 6. Оптические газоанализаторы Polytron 2IR typ 334 и PIR 3000 немецкой фирмы Dräger наиболее оптимально подходят для газоанализа тяжелых нефтепродуктов (бензинов, диз. топлива)
Рис.7. Электрохимические газоанализаторы Polytron 7000 немецкой фирмы Эгадег позволяют своевременно определять утечки токсичных веществ, например сероводорода Н2Э
Аналогичным образом можно обна- ПЛАВАЮЩИЙ СЕНСОР Инсоляция и светозащитные козырь-
ружить, что если при температуре окру- Такой сенсор обычно применяют на ки. Инсоляция представляет проблему в
жающей среды 200С (Тор - 293 К) пропан очистных станциях. Для обнаружения па- особенности для корпусов черного цвета,
должен быть легче воздуха, то он должен ров непосредственно на поверхности воды так как они могут нагреваться под дей-
быть очень горячим (Ротн=1,52), так как: на понтоне размещается сенсор с гибкой ствием солнечного света. Поэтому в таких
трубкой. Понтон должен быть открыт по случаях для защиты от прямых солнечных
Травн= 1,52293 = 445 К = 1720С. направлению потока и прикреплен к це- лучей используют полированные стальные
Таким образом, пропан начнет подни- почке таким образом, чтобы он мог бес- козырьки. Но эти козырьки не должны пре-
маться лишь тогда, когда его температура препятственно подниматься и опускаться пятствовать конвекции, и в них также долж-
будет выше 1720С. на водной поверхности. Необходимо так- ны быть предусмотрены отверстия.
же предусмотреть защиту от брызг. Брызгозащита. Как уже говорилось,
ТОКСИЧНЫЕ ГАЗЫ Для таких способов применения при- для обнаружения тяжелых паров (напри-
Если имеются токсичные газы при низ- годен также поплавок, постоянно удер- мер, октана), а также при мониторинге
ких, но уже токсичных концентрациях, их живающий отверстие воздухозаборной газовых утечек на уровне пола или над
плотность значительно менее существенна, трубки как можно ниже над поверхностью поверхностью грунта сенсоры должны уста-
чем фактическая температура при оценке воды. Чтобы избежать попадания воды навливаться как можно ниже над полом. А
летучести газа. в воздухозаборную систему, следует ис- при установке вне помещения необходимо
Рассмотрим на примере двуокиси серы и пользовать поплавковый клапан (принцип следить за тем, чтобы сенсор не устанав-
водорода: дыхательной трубки для подводного пла- ливался непосредственно на земляную или
вания с шаровым клапаном). песчаную поверхность, в противном случае
(1)1000 ррт Э02 (Ротн. = 2,21) в воздухе. От- брызги грязи во время сильных дождей мо-
носительная плотность этой смеси: НАПРАВЛЯЮЩИЕ И гут постепенно забить отверстие для газа. В
РАЗДЕЛИТЕЛЬНЫЕ ЩИТКИ таких случаях помогает брызгозащита и бы-
Р =1х(1-0,001)+2.21х0,001 = 1,00121. (ОБТЕКАТЕЛИ) стросменный противопылевой фильтр, но
отн.смеси \ >/>> \ / г- г- -т-г-'
Направляющие щитки предназначены последний необходимо регулярно осматри-
При подстановке этого значения в выше- для отклонения конвекционных потоков в вать и/или заменять, особенно после каж-
указанное уравнение получим: определенном направлении. Если в этом дой непогоды. Брызгозащитные узлы часто
потоке выделяется газ, то он пойдет по изготавливаются в виде лабиринта, т. е. на
Т =Р хТ =1,00121x293=293,35 К; пути, заданному этим направляющим пути к сенсору газ должен преодолеть боль-
равн отн.смеси окр ' ' ' ' ' " ' г 1 ' " ~ "
щитком. Если в этой зоне размещается шое расстояние, и от этого, естественно,
(2)1000 ррт Н2 (Ротн^ = 0,069) в воздухе. сенсор, то он сможет обнаружить газ. Для страдает скорость реакции, что необходимо
Относительная плотность такой смеси медленных потоков воздуха можно также учитывать при реализации ответных мер.
использовать в качестве принудительного Потолочный монтаж. При установке
Р<тншеаТ1 х (1 - 0,001)+0,069х 0,001=0,999069. усиления эффект камина; для этого зача- термокаталитических сенсоров соблюдай-
стую достаточно наличия системы горяче- те инструкции изготовителя. Предпочти-
При подстановке этого значения в выше- го водоснабжения. тельное направление (рабочее положение)
указанное уравнение получим: Особой формой направляющего — абсолютно вертикально с отверстием
щитка является улавливающая воронка, сенсора, направленным вниз. Как показы-
Т =Р хТ = 0,999069x293=29273К которая аналогично вытяжному колпаку вает опыт, часто отдается предпочтение
равн отнсмеси окр ' ^ г !г-1г-г-ч
направляет все восходящие газы (метан, горизонтальной установке (т. е. монтаж не-Из этих примеров становится ясно, что водород, аммиак) в центр конуса, где рас- посредственно на потолке) из-за отсутствия даже для такого тяжелого газа, как Э02, при полагается сенсор. В таких устройствах уголка. Но тогда, с термической и геометри-достаточно высокой концентрации, равной следует предусмотреть несколько неболь- ческой точек зрения, оба горячих пеллисто-1000 ррт, даже очень незначительный пе- ших воздушных отверстий, чтобы предот- ра не будут равноценными, так как нижний репад температуры, составляющий всего вратить образование мертвых зон. Диа- будет нагревать пеллистор, расположенный 0,350С (!), является решающим для того, метр небольших улавливающих воронок над ним. Из-за этой асимметрии мостовой будет ли эта смесь легче или тяжелее воз- составляет около 30 см. Их применение схемы ухудшается температурная компен-духа. Например, если температура смеси имеет смысл лишь в тех случаях, когда сация. Далее следует исходить из того, составляет 210С, то смесь будет подни- они располагаются непосредственно над что при такой установке ухудшаются из-маться вверх, несмотря на то что Э02 тя- местом утечки. мерительные свойства. Все исследования желее воздуха! Если исходить из того, что Разделительные щитки используются и измерительные экспертизы основыва-внутри помещения перепад температур в вытяжных трубах при сильных воздуш- ются исключительно на вертикальном ра-5-100С не является редкостью, то для таких ных потоках. Установленный за щитком бочем положении сенсора. Мировой опыт концентраций, поскольку лишь чистый из- сенсор не контактирует напрямую с силь- применения различных конструктивных меряемый газ тяжелее воздуха, бессмыс- ным воздушным потоком, вместо этого об- особенностей элементов систем газово-ленно размещать датчики газа на уровне разуется завихрение, благодаря которому го мониторинга, современных технологий пола. сенсор вступает в контакт с газом. газообнаружения, стратегий построения Водородно-воздушные смеси, содер- защиты от вредных воздействий газов и па-жащие 1000 ррт водорода, также лишь не- ОБШИВКА ТРУБ И ТРУБЫ С ров, использования сенсоров, разработан-значительно легче воздуха, так что даже ДВОЙНЫМИ СТЕНКАМИ ных на основе последних достижений науки при понижении температуры всего лишь В то время как бесшовные и сварные и техники, привносится на предприятия про-на 0,30С ниже температуры окружающего трубопроводы считаются герметичными мышленной индустрии России. воздуха 200С эта смесь становится тяжелее и не требующими контроля, это утверж- Развитие отраслей производства пред-воздуха! дение не относится к фланцам, соедини- усматривает необходимость увеличения Эти примеры должны показать, что для тельным элементам, гофрированным со- надежности технологических процессов размещения газовых сенсоров ожидаемая единителям, гибким трубкам и запорным и повышения уровня промышленной безмаксимальная концентрация и температура кранам. Такие потенциальные места уте- опасности. Грамотное проектирование си-газов играют намного более важную роль, чек также постоянно располагаются вме- стем стационарного газового мониторинга, чем принято считать. сте с сенсором в одном наружном корпусе. которые являются неотъемлемой частью В каждом конкретном случае размеще- Это же относится и к трубам с двойными системы обеспечения промышленной безо-ние измерительной ячейки может варьиро- стенками. Утечки в таких трубах приводят пасности предприятия в целом, способству-ваться в зависимости от локальных задач к высвобождению газа, который может по- ет повышению надежности его функциони-по обнаружению опасных концентраций ступать к сенсору из-за постоянного под- рования и снижению рисков возникновения газов и паров. соса из наружной трубы. аварийных ситуаций. ■
